高應(yīng)變速率作用下ZK60鎂合金的變形行為

張治民，于建民，王子田，楊亞琴

（中北大學材料科學與工程學院，太原 030051）

隨著鎂合金產(chǎn)品性能的不斷提高，鎂合金材料將成為武器裝備中應(yīng)用最廣的金屬結(jié)構(gòu)材料。國內(nèi)鎂合金的應(yīng)用主要集中于航天、航空等領(lǐng)域，如起落架輪轂、座椅支架、彈夾等［1—2］。另外，兵器工業(yè)上的軍用車輛、飛行器等如果使用高強度鎂合金，都可以起到好的減重效果，進而提升車輛的機動性。變形鎂合金裝備構(gòu)件不僅需要有良好的常規(guī)力學性能，更需要有良好的抗沖擊性，而目前有關(guān)鎂合金在動態(tài)沖擊載荷下的力學性能、抗彈性能研究，國內(nèi)外相關(guān)報道很少，且主要集中在鑄態(tài)鎂合金動態(tài)力學性能的研究方面，而關(guān)于塑性變形工藝、熱處理工藝對鎂合金動態(tài)力學行為、抗彈性能的影響，開展的相關(guān)研究更少［3—4］。現(xiàn)有的鎂合金抗沖擊性研究方法用的較多的，是通過采用Hopkinson壓桿實驗方法［5—6］，研究高應(yīng)變率下鎂合金材料的動態(tài)變形力學行為，且實驗過程中壓桿沖擊速度只可控制在100 m/s以內(nèi)，不能滿足裝備材料抗高速沖擊載荷作用的實際使用要求。軍用車輛、飛行器等如果使用高強度鎂合金，經(jīng)常會受到?jīng)_擊碰撞作用，且常會處于沖擊應(yīng)變率超過103s-1的高應(yīng)變率條件，因此，有必要研究高強度鎂合金在高應(yīng)變率下的動態(tài)力學行為的變化，以對鎂合金在武器裝備上的應(yīng)用提供基礎(chǔ)指導(dǎo)作用［7—10］。為此，文中通過高速沖擊鎂合金靶板實驗，系統(tǒng)考察了不同熱加工態(tài)高強度ZK60鎂合金在較寬、較高沖擊速度范圍內(nèi)（10～500 m/s）的抗沖擊性能，建立鎂合金抗沖擊性能與材料力學性能之間的關(guān)系。為設(shè)計具有良好抗沖擊性能的高性能Mg-Zn-Zr系列鎂合金提供參考，以指導(dǎo)鎂合金在軍事工業(yè)上的工程應(yīng)用。

1 實驗

實驗采用7.62 mm滑膛槍進行高速沖擊實驗，用直徑為4.5 mm，質(zhì)量為0.45 g的鋼球分別垂直高速沖擊不同狀態(tài)的ZK60鎂合金靶板，在30 m靶道實驗室進行。靶板材料選用不同熱加工狀態(tài)的ZK60鎂合金試塊，沖擊前試樣的狀態(tài)分別是:變形態(tài)（溫度取340℃和420℃，ε分別取1.59，2.07和2.65），T5熱處理態(tài)為:170℃ ×16 h，T6熱處理態(tài)為:420℃ ×10 h+170℃ ×16 h。不同狀態(tài)的靶板所對應(yīng)的力學性能如表1所示。靶板尺寸為:長×寬×厚=100 mm×100 mm×1 mm。由于靶板試樣較薄，實驗時在其后面均墊上高強鋁合金7A04背板（背板尺寸:長×寬×厚=150 mm×150 mm×10 mm）。

沖擊速度用槍彈測速儀測量。實驗前根據(jù)彈頭尺寸機加工一些圓柱形（φ7.6 mm，L=15 mm）小木頭，并在其一端部鉆小錐形盲孔（φ5 mm～φ7 mm），并將鋼珠粘結(jié)安放至盲孔;將滑膛槍彈彈頭拔掉，用棉花將木頭圓柱塞緊到彈體上，以代替彈頭。實驗裝置簡圖如圖1所示，實驗中同時采用槍彈測速儀記錄鋼珠彈丸經(jīng)過測速靶所用時間數(shù)據(jù)。

表1 不同狀態(tài)的靶板的力學性能Table 1 Mechanical properties of the target plate at different state

圖1 高速沖擊鎂合金靶板實驗裝置簡圖Fig.1 Experiment device for high speed impact magnesium alloy target plates

2 結(jié)果及分析

2.1 高速沖擊后ZK60鎂合金靶板形貌及分析

圖2為340℃熱塑性變形及不同處理工藝處理后的ZK60鎂合金靶板，經(jīng)高速沖擊后的彈孔形貌。由圖2可以看到，經(jīng)高速彈丸沖擊后，由于ZK60鎂合金靶板厚度較薄（1 mm），在535 m/s左右高速彈丸碰撞下，靶板均被擊穿，留下了彈孔。當靶板材料初始狀態(tài)為 ε=1.59時（圖2a，b，c），所示彈孔周圍均有不同程度的凹陷，且彈孔邊緣有許多毛刺。即在變形過程中有一定的塑性變形，圖2b還存在沿彈孔向外生長的裂紋。而當ε=2.07時（圖 2d，e，f），靶板上彈孔形態(tài)清晰完整，彈孔內(nèi)側(cè)面有明顯的剪切唇，呈白色，彈孔周圍光滑，沒有裂紋。圖2a中所示的靶板似乎沒有穿透，是由于彈丸高速沖擊穿透后，產(chǎn)生大量熱量，使靶板背部又產(chǎn)生熔合，產(chǎn)生"鼓包"類形狀，而不是沒有穿透。

圖2 沖擊后靶板（340℃）彈孔形貌Fig.2 Morphology of bullet hole after impact（340℃）

圖3為初始狀態(tài)420℃變形后，不同狀態(tài)的靶板經(jīng)高速沖擊后的彈孔形貌。不難看出，圖3a，b，c，d所示的彈孔周邊均有不同程度的凹陷，而且彈孔周邊有少量毛刺。彈孔背面有明顯的剪切唇，彈孔周圍沒有裂紋。圖3e和f周邊均有嚴重的裂紋產(chǎn)生，破損現(xiàn)象嚴重。由圖3e和f還可以看到，沖擊后靶板上均留有2個彈孔，這是因為鋼珠與背板高速撞擊后，反彈正好碰到靶板上，并穿透靶板。圖中的2個穿透彈孔，一個為鋼珠彈丸第一次高速撞擊靶板所留，另一個為木頭圓柱回彈撞擊所留。

圖3 沖擊后靶板（420℃）彈孔形貌Fig.3Morphology of bullet hole after impact（420℃）

2.2 高速沖擊ZK60鎂合金靶板后背板形貌及分析

圖4和圖5是高速沖擊不同狀態(tài)靶板材料的后背板材料的彈坑形貌。由圖4和圖5不難看出，鋁合金背板材料均沒有被穿透，但在背板材料上均留下了與鋼珠直徑大小相當?shù)膹椏印５窃谧訌椀母咚贈_擊作用下，背板上的彈坑周邊的材料明顯隆起，形成環(huán)狀的堆積，說明高速彈珠穿過靶板材料后，進入背板材料，受到材料極大的變形抗力，同時，背板材料也產(chǎn)生了相應(yīng)的塑性變形，吸收了大量的沖擊能量。靶板材料狀態(tài)不同，則背板材料上所留下的彈坑深度不同。

由圖4和5還可看出，熱變形態(tài)鎂合金靶板后的背板上，彈坑周圍出現(xiàn)突緣和裂紋現(xiàn)象，熱變形+T6態(tài)鎂合金靶板所對應(yīng)背板上的彈坑周圍都出現(xiàn)了明顯的縱向裂紋，說明抗彈性較差。而熱變形+T5態(tài)鎂合金靶板所對應(yīng)背板上的彈坑形貌較好，比較光滑，且彈坑周圍幾乎無裂紋，說明該種狀態(tài)靶板的抗彈性較好。表2為不同靶板材料后面背板上留下的彈坑深度。

圖4 高速沖擊后背板材料上（340℃）彈坑形貌Fig.4 Morphology of bullet hole on the back plate after impact（340℃）

表2 高速沖擊不同狀態(tài)的靶板材料后背板上留下的彈坑深度Table 2 Crater depth on the back plateathigh speed impact

圖5 高速沖擊后背板(420℃)彈坑形貌Fig.5 Morphology of bullet hole on the back plate after impact(420℃)

由表2可以看出，不同熱加工狀態(tài)ZK60合金靶板材料的力學性能對彈坑深度的大小有一定的影響。總體上，靶板材料的強度越高，則背板上所留下的彈坑深度就越淺。為進一步研究材料綜合力學性能與彈坑深度的關(guān)系，利用origin軟件對彈坑深度與靶板材料的抗壓強度、屈服強度、延伸率之間進行線性擬合，結(jié)果如圖6所示。

圖6為彈坑深度與靶板材料即不同熱加工態(tài)ZK60合金力學性能間的關(guān)系。從圖6a-d可以看出，彈坑深度與靶板材料抗拉強度、屈服強度、延伸率和（Rm+Rp0.2）A/2的關(guān)系圖中的數(shù)據(jù)點離散性較大，說明不能單純地用材料某一個力學性能指標來評價材料抗彈能力的大小。圖6e為彈坑深度與（Rm+Rp0.2）（1+A）/2的關(guān)系圖，對圖6e中的數(shù)據(jù)進行線性擬合后，可獲得不同的線性方程:y=7.5-0.01x，其線性相關(guān)系數(shù)R=0.25，數(shù)據(jù)具有較好的線性相關(guān)性。

將圖6e中的4個離散性很大的數(shù)據(jù)點剔除后，再對數(shù)據(jù)進行線性擬合，得到圖6f，其線性方程式為:

圖6 彈坑深度（h）與靶板材料力學性能間的關(guān)系Fig.6 Relationship between the mechanical properties of target plate material and crater depth（h）

3 結(jié)論

1）高速彈擊實驗后，在靶材彈孔背面，出現(xiàn)了白亮的剪切唇，說明ZK60合金靶材具有比較好的塑性，在高速彈擊情況下，吸能性較好，具有較好的抗彈性。

2）熱變形+T5態(tài)鎂合金靶板所對應(yīng)的彈坑形貌較好，比較光滑，且彈坑周圍幾乎不出現(xiàn)裂紋，抗彈性較好;而熱變形態(tài)和熱變形+T6態(tài)鎂合金靶板所對應(yīng)的彈坑周圍都出現(xiàn)了明顯的縱向裂紋，抗彈性較差。

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